DE2907949A1 - Semiconductor oscillator diode for millimetre waves - where diode is located on mesa platform on silver heat sink forming one electric contact for the diode - Google Patents
Semiconductor oscillator diode for millimetre waves - where diode is located on mesa platform on silver heat sink forming one electric contact for the diodeInfo
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Abstract
Description
Halbleiter-Millimeterwellen-Oszillator-Diode.Semiconductor Millimeter Wave Oscillator Diode.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Millimeterwellen-Oszillator-Diode, wie sie im Oberbegriff des Patentaspruchs 1 angegeben ist.The invention relates to a semiconductor millimeter wave oscillator diode, as indicated in the preamble of claim 1.
Eine wbe voranstehend zitierte Diode ist aus der Veröffentlichung "Elektrotechnik und Maschinenbau" E & M, 94. Jahrgang (1977), Seiten 403-407 des Erfinders zur vorliegenden Erfindung bekannt. Insbesondere ist dort mit der Abbildung 2 ein somit bekannter Aufbau für eine Galliumarsenid-INPATT-Diode für einen 90 GHz-Oszillator angegeben. Die eigentliche Diode besteht aus einem Schottky-Metall-Halbleiterkontakt zwischen einer N-Galliumarsenid-Epotaxieschicht und einer darauf befindlichen Elektrode aus Chrom. Die Epitaxieschicht befindet sich auf einem Galliumarsenid-Substratkörper, dessen ursprünglich größere Dicke aU einen Wert unter 5 µm verringert worden ist. Dsmft läßt sich nicht nur eine verbesserte Wärmeabfuhr aus der Diode erreichen, sondern es wird auch die in diesem Anteil des Substrat körpers durch Stromfluß erzeugte Wärme auf einem Minimalwert gehalten. Auf der der Epitaxie schicht gegenüberliegenden Oberflächenseite hat dieser restliche Substratkörper eine einen ohmschen Kontakt oder einen Schottky-Kontakt in Durchlaßrichtung bildende Elektrode.A diode cited above is from the publication "Electrical engineering and mechanical engineering" E & M, 94th year (1977), pages 403-407 of the inventor known about the present invention. In particular, there is with the Figure 2 shows a well-known structure for a gallium arsenide INPATT diode for specified a 90 GHz oscillator. The actual diode consists of a Schottky metal semiconductor contact between an N-gallium arsenide epotaxial layer and an electrode located thereon made of chrome. The epitaxial layer is located on a gallium arsenide substrate body, whose originally greater thickness aU has been reduced to a value below 5 µm. Dsmft can not only achieve improved heat dissipation from the diode, but it will also work in that portion of the substrate body through Current flow generated heat kept to a minimum value. On top of the epitaxial layer opposite surface side, this remaining substrate body has a one ohmic contact or an electrode forming a Schottky contact in the forward direction.
Die oben erwähnte Chrom-Elektrode ist Anteil einer Chrom-Schicht, die sich auf einem eine Wärmesenke bildenden Metallkörper aus Silber befindet. Dieser Metallkörper bildet die eine Stromzuführung zu dem Schottky-Metall-Halbleiterkontakt des Chroms mit der Epitaxieschicht. Die andere Stromzuführung ist ein in Abbildung 2 nicht dargestellter Metallstempel, der auf dem erwähnten ohmschen Kontakt des restlichen Substratkörpers aufliegt. Zwischen diesem Metallkörper und dem Metallstempel herrscht die an die Diode anzulegende elektrische Spannung.The above-mentioned chromium electrode is part of a chromium layer, which is located on a metal body made of silver forming a heat sink. This The metal body forms a power supply to the Schottky metal semiconductor contact of the chrome with the epitaxial layer. The other power supply is one in the picture 2 metal stamp, not shown, which is based on the mentioned ohmic contact of the rest of the substrate body rests. Between this metal body and the metal stamp the electrical voltage to be applied to the diode prevails.
Die obengenannte Veröffentlichung enthält weitere ausführliche Erörterungen zu Herstellungsverfahren und zu elektrischen Betriebsbedingungen, die auch für die Erfindung der vorliegenden Anmeldung von Interesse sind, wegen des Vorliegens dieser Veröffentlichung -auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen sein soll -hier Jedoch nicht noch einmal wiederholt zu werden brauchen.The above publication contains further detailed discussions on manufacturing processes and electrical operating conditions that are also applicable to the Invention of the present application are of interest because of their existence Publication - to which reference is hereby expressly made - here, however need not be repeated again.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Ausgestaltung dieser dem Prinzip nach an sich bekannten Mikrowellen-Oszillator-Diode anzugeben, die für besonders hohe Frequenzen und/oder hohe Leistung geeignet ist, aber dennoch Sicherheit gegen elektrischen Kurzschluß gewährleistet.It is an object of the present invention to provide such a design to specify this in principle known microwave oscillator diode, which is suitable for particularly high frequencies and / or high power, but still Safety against electrical short circuit guaranteed.
Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Diode erfindungsgemäß mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Patenten-Spruches 1 gelöst.This task is carried out with a like in the generic term of Claim 1 specified diode according to the invention with the help of the features of the identifier of the Patent claim 1 resolved.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß nicht nur die Epitaxieschicht, nämlich abhängig von der Höhe der vorgegeben Frequenz, sehr dünn zu bemessen ist, sondern daß auch anzustreben ist, daß die Dicke des restlichen Substratkörpers zur Verringerung des Serienwiderstandes möglichst klein bemessen sein soll. Anderenseits sind die lateralen Abmessungen des die Wärmesenke bildenden, oben erwähnten Metallkörpers, mit dem die darauf befindliche Diode fest verbunden ist, und die laterale Abmessung (Durchmesser) des die andere Stromzuführung bildeden Metallstempels vergleichsweise zur lateralen Abmessung der Diode selbst bekanntermaßen außerordentlich groß, so daß schon allein bei nicht ganz exakt orthogonal auf der Diode aufsitzendem Metall stempel Kurzschlüsse zwischen diesem Metallstempel und dem rmesenke-Metallkörper in praxi nicht mehr auszuschließen sind. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Vergrößerung des Abstands zwischen Metallstempel und Metallkörper im ganzen die Diode umgebenden Zwischenraumbereich, und zwar durch erfindungsgemäße mese-förmige Abtragung von Material des Metallkörpers seitlich der Diode läßt sich eine solche Abstandsvergrößerung erreichen, und beim späteren Einbau der erfindungsgemäß ausgestalteten Diode in die Hohlleiter-esonatoranordnung bedarf es keiner zusätzlichen Justierung mehr.The invention is based on the consideration that not only the epitaxial layer, namely, depending on the level of the given frequency, is to be dimensioned very thin, but that it is also desirable that the thickness of the remaining substrate body to Reduction of the series resistance should be as small as possible. The other side are the lateral dimensions of the above-mentioned metal body forming the heat sink, with which the diode on it is firmly connected, and the lateral dimension (Diameter) of the other power supply forming the metal stamp in comparison the lateral dimension of the diode itself is known to be extremely large, see above that even if the metal is not exactly orthogonal to the diode stamp Short circuits between this metal stamp and the rmesenke metal body can no longer be ruled out in practice. Due to the enlargement provided according to the invention the distance between the metal stamp and the metal body as a whole surrounding the diode Interstice area, namely by inventive mese-shaped removal of The material of the metal body on the side of the diode allows such a distance increase achieve, and when the diode designed according to the invention is later installed in the waveguide resonator arrangement no longer requires any additional adjustment.
eftere Erläuterungen der Erfindung gehen aus dernachfolgende anhand der Figuren gegebenen Beschreibung heror0 Fig.1 zeigt im Ausschnitt den die Erfindung betreffenden wesentlichen Anteil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Diode mit gestrichelt dargestelltem Stempel, wie er nach dem Einbau der Diode in eine entsprechende Hohlleiteranordnung auf dieser als zweite Stromzuführung aufliegt bzw.Further explanations of the invention are based on the following of the figures given description heror0 Fig. 1 shows in detail the essential part relating to the invention of one designed according to the invention Diode with the stamp shown in dashed lines, as it appears after the diode has been installed in a corresponding waveguide arrangement rests on this as a second power supply respectively.
aufgedrückt ist. is pressed.
Fig.2 zeigen einzelne Stadien eines bevorugten Herbis 5 stellungsverfahrens zur Herstellung einer Diode nach Fig.1.2 show individual stages of a preferred manufacturing process for the production of a diode according to Fig.1.
In Fig.1 ist mit ii der hier dargestellte Anteil des die Wärmesenke bildenden Metallkörpers bezeichnet.In FIG. 1, ii is the part of the heat sink shown here forming metal body called.
Der Halbleiterkörper aus vorzugsweise Galliumarsenid hat das Bezugszeichen 12. Der in der Fig.1 untere mit gestrichelter Linie bildlich abgeteilte Anteil des Halbleiterkörpers 12 ist die eingangs erwähnte elektrisch als Ladungsträger-Laufstrecke dienende Epitaxieschicht und der darüber befindliche Anteil dieses Eörpers 12 der restliche Substratkörper. Mit 13 ist eine auf dem Halbleiterkörper befindliche Elektrodenschicht für einen beispielsweise ohmschen Kontakt bezeichnet.The semiconductor body, preferably made of gallium arsenide, has the reference symbol 12. The lower in FIG. 1 with a dashed line portion of the Semiconductor body 12 is the initially mentioned electrically as a charge carrier path serving epitaxial layer and the portion of this body 12 located above it remaining substrate body. With 13 is an electrode layer located on the semiconductor body for an ohmic contact, for example.
Die mit 14 bezeichnete Schicht besteht aus Chrom und bildet mit dem Halbleitermaterial des Körpers 12 den erwähnten Schottky-Halbleiterkontakt mit sperrender Eigenschift. Die Schicht 15 besteht aus Gold und dient zur an sich bekannten Verbesserung der Eigenschaften der Chromschicht 14 auf dem Metallkörper 11.The layer labeled 14 consists of chromium and forms with the Semiconductor material of the body 12 the mentioned Schottky semiconductor contact with blocking Property. The layer 15 consists of gold and is used for an improvement known per se the properties of the chromium layer 14 on the metal body 11.
Der Metallkörper 11 besteht aus beispielsweise Silber, das eine besonders gute Wärmeleitung'hat. Gemäß der Erfindung weist dieser Metallkörper i1 eine wie aus der Fig.1 ersichtliche Abtragung auf. Der Anteil des Metallkörpers 11, auf dem sich die Diode mit dem Halb- leiterkörper 12 befindet, bildet dadurch einen mesaförmingen Vorsprung. Diese Abtragung bzw. dieser Vorsprung hat z.B. eine Abmessung d1, von 20 µm. Die Dickenabmessung der Diode, d.h. im wesentlichen des Halbleiterkörpers 12, hat dagegen einen Wert von z.B.The metal body 11 consists of, for example, silver, the one in particular has good heat conduction. According to the invention, this metal body i1 has a like from the Fig.1 visible removal. The proportion of the metal body 11 on which the diode with the half Conductor body 12 is located, thereby forms a mesa-shaped protrusion. This removal or this projection has, for example, a Dimension d1, of 20 µm. The thickness dimension of the diode, i.e. essentially the Semiconductor body 12, on the other hand, has a value of e.g.
nur 5 µm oder besser eine noch geringere Dicke. Wie aus der Fig.1 erkennbar, wird mit der vorgesehen Abtragung eine entscheidende Vergrößerung des wirksamen Abstands zwischen dem Metallkörper 11 und dem gestrichelt dargestellten Stempel 16, wie er nach Einbau der Diode in der Hohlleiteranordnung vorhanden ist, erreicht. Die laterale, in der Figur horizontale, Abmessung des ganzen die Wärmesenke bildenden Metallkörpers beträgt z.B. 0,5 mm und der Stempel 16 hat z.B. einen Durchmesser von 1 mm. Die laterale Abmessung des Halbleiterkörpers 12 beträgt dagegen z30 nur 30 bis 50 µm.only 5 µm or better an even smaller thickness. As shown in Fig.1 recognizable, a decisive enlargement of the effective distance between the metal body 11 and the one shown in dashed lines Stamp 16, as it is present after installing the diode in the waveguide arrangement, achieved. The lateral, in the figure horizontal, dimension of the whole of the heat sink forming metal body is, for example, 0.5 mm, and the punch 16 has, for example, a diameter of 1 mm. In contrast, the lateral dimension of the semiconductor body 12 is only z30 30 to 50 µm.
Aus diesen Größenverhältnissen wird die für die Praxis wesentliche Bedeutung der Erfindung besonders gut erkennbar.These proportions become what is essential in practice Significance of the invention can be seen particularly well.
Zu einem bevorzugten Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Diode (Fig.1) zeigt Fig.2 bereits ein fortgeschrittenes Herstellungsstadium. Auf dem (nur mit einem Anteil desselben dargestellten) Metallkörper 11 befindet sich die Schicht 15 aus z.B. Gold und darauf die Schicht 14 aus Chrom. Das Material der Schicht 14 bildet mit dem Material des Halbleiterkörpers 12, dies ist insbesondere N-Galliumarsenid, einen bekannten Schottky-Kontakt. Auf der Oberseite des Halbleiterkörpers 12 befindet sich eine weitere, einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitermaterial des Körpers 12 bildende Elektrodenschicht 13. Das Herstellungsverfahren bis zu diesem in Fig.2 dargestellten Stadium kann nach den üblichen bekannten Verfahren durchgeführt werden. z.B.A preferred manufacturing method of an inventive Diode (Fig.1) Fig.2 shows an advanced manufacturing stage. on the (only shown with a portion of the same) metal body 11 is located the layer 15 made of e.g. gold and on top of it the layer 14 made of chromium. The material of the Layer 14 forms with the material of the semiconductor body 12, this is in particular N-gallium arsenide, a well-known Schottky contact. On the top of the semiconductor body 12 there is another, an ohmic contact with the semiconductor material of the body 12 forming the electrode layer 13. The manufacturing process up to this The stage shown in FIG. 2 can be carried out according to the usual known methods will. e.g.
mit Hilfe der Epitaxie zur Herstellung der in der Figur unteren Zone des Halbleiterkörpers 12, mit Audampfprozessen zur Erzeugung der Metallschichten 13, 14, 15, durch Polieren des ursprünglichen Halbleiterkörpers auf die geringe restliche Dicke d2 von z.B. 5/um des in der Fig.2 dargestellten Halbleiterkörpers 12, durch Zersägen eines größeren Halbleiter-Substratkörpers, in dem zunächst eine Vielzahl solcher wie dargestellter Halbleiterkörper 12 hergestellt sind, die dann einzeln auf einen jeweiligen Metallkörper il (wie die Fig.2 eigt aufgebracht sind. Weitere Einzelheiten hierzu enthält insbesondere auch die obengenannte Druckschrift E & M, und zwar vorzugsweise in Abschnitt 3.3.with the help of epitaxy to produce the in the figure lower Zone of the semiconductor body 12, with steam processes for producing the metal layers 13, 14, 15, by polishing the original semiconductor body to the small remaining thickness d2 of, for example, 5 μm of the semiconductor body shown in FIG 12, by sawing up a larger semiconductor substrate body in which a A plurality of such as shown semiconductor body 12 are produced, which then individually on a respective metal body il (as Fig.2 eigt are applied. The above-mentioned publication also contains further details on this E & M, preferably in Section 3.3.
Die Fig.3 zeigt zusätzlich zur Fig.2 eine zwischen den Stadien der Fig. 2 und 3 aufgebrachte Schicht 31 aus aushärtbarem Fotolack für Fotolithografie. Diese deckt den gesamten Halbleiterkörper 12 mit seiner darauf befindlichen Elektrode 13 und auch einen lateral angrenzenden Oberflächenbereich des Metallkörpers 11 bzw. der auf ihm befindlichen obersten Schicht 14 ab. Bei einer lateralen Abmessung (insbesondere Durchmesser) a1 von z.B. 30/um sollte die laterale Bemessung a2 der Fotolackschicht etwa 70 bis 100/um betragen. Das Maß, um die die Abmessung a2 größer ist als die Abmessung a1 ist auch nach praktischen Gesichtspunkten, insbesondere mit Rücksicht auf das nachfolgend durchzuführende Ätzverfahren, auszuwählen.FIG. 3 shows, in addition to FIG. 2, a between the stages of 2 and 3 applied layer 31 of curable photoresist for photolithography. This covers the entire semiconductor body 12 with its electrode located thereon 13 and also a laterally adjacent surface area of the metal body 11 or the top layer 14 located on it. With a lateral dimension (in particular Diameter) a1 of e.g. 30 / µm should be the lateral dimension a2 of the photoresist layer about 70 to 100 µm. The amount by which the dimension a2 is greater than the Dimension a1 is also from a practical point of view, especially with consideration on the etching process to be carried out subsequently.
dir.4 zeigt einen nächstfolgenden Verfahrensschritt, mit dem der außerhalb der Fotolackschicht 31 noch vorhanden gewesener Anteil der Chromschicht 14 entfernt worden ist. Dieses Entfernen des Chroms erfolgt nach an sich bekannten Maßnahmen, z.B. durch Ätzen mit Salzsäure und Verwendung eines Katalysators (Aluminium oder Zink).dir.4 shows the next step in the process with which the outside The portion of the chromium layer 14 that was still present in the photoresist layer 31 is removed has been. This removal of the chrome takes place according to known measures, e.g. by etching with hydrochloric acid and using a catalyst (aluminum or Zinc).
Fig.5 zeigt einen Verfahrensschritt, mit dem der wie aus einem Vergleich der Fig.4 und 1 ersichtliche Unterschied durch Wegätzen eines Oberflächenanteils des Metallkörpers 11 erreicht wird. Das Endstadium der Ätzfront am Metallkörper ii ist in der Fig.4 hilfsweise gestrichelt mit 51 angedeutet. Mit 52 ist der damit entstandene Vorsprung bezeichnet. Wie ersichtlich, erfolgt ein Unterätzen der ausgehärteten Fotolackschicht 31, weshalb für die Abmessung a2 das oben bereits erwähnte Übermaß vorgesehen ist.5 shows a method step with which the as from a comparison the 4 and 1 visible difference by etching away a surface portion of the metal body 11 is achieved. The final stage of the etched front on the metal body ii is indicated by 51 in FIG. 4 by dashed lines. At 52 he is with it resulting projection. As can be seen, the hardened ones are undercut Photoresist layer 31, which is why the above-mentioned oversize for dimension a2 is provided.
Fig.5 zeigt den Metallkörper ii mit der darauf befindlichen Diode 12 auf einem Unterlagekörper 50 in einer Wanne 51 eines Silber-Ätzbades. Der Unterlagekörper soll einen Ätzangriff an-der Unterseite der Wärmesenke verhindern.5 shows the metal body ii with the diode on it 12 on a base body 50 in a trough 51 of a silver etching bath. The pad body is intended to prevent an etching attack on the underside of the heat sink.
Mit 53 ist eine nadelförmige Elektrode bezeichnet, die am Rand des Metallkörpers 11 einen Kontakt mit diesem bildet.With a needle-shaped electrode 53 is designated, which is located on the edge of the Metal body 11 forms a contact with this.
Die in das Ätzbad 54 eintauchende Ggenelektrode ist mit 55 bezeichnet. In einem Bad im wesentlichen bestehend aus einer wässerigen Lösung von Silbernitrat und Cyanverbindungen, läßt sich mit einer Stromstärke von 2 mA innerhalb von 5 min eine Dicke von wie in Fig.1 angegebenen beispielsweise 20 µm abtragen. Der infolge des Unterätzens auftretende überstehende Rand der Chromschicht 13 und des darauf befindlichen abdeckenden Fotolacks 31 wird zusammen mit dem Abwaschen der gesamten Fotolackschicht 31 beseitigt.The Ggenelectrode immersed in the etching bath 54 is denoted by 55. In a bath consisting essentially of an aqueous solution of silver nitrate and cyano compounds, can be with a current of 2 mA within 5 min remove a thickness of 20 µm, for example, as indicated in FIG. The result of the undercutting occurring protruding edge of the chromium layer 13 and on it located covering photoresist 31 is washed off together with the entire Photoresist layer 31 removed.
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1979
- 1979-03-01 DE DE19792907949 patent/DE2907949A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
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